111

2.3 Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

Autori: prof. dr Milan Radmanović, mr Marko Dimitrijević

2.3.1 Cilj vežbe

Cilj vežbe je upoznati se sa realizacijom jednosmemih izvora za napajanje. Posebno se proučavaju postupci usmeravanja, filtriranja i regulacije napona. U vežbi se koristi dvostrano usmeravanje napona pomoću diodnog mosta (Grecov spoj). Usmereni napon se filtrira pasivnim filtrima (kapacitivni filtar). Zatim se proučava integrisani regulator LM317 koji omogućava dobijanje stabilnog jednosmernog napona za napajanje uređaja osetljivih na brum.

2.3.2 Teorijska postavka vežbe

2.3.2.1 Ispravljanje naizmeničnog napona

Da bi se od naizmeničnog napona elektroenergetske mreže dobio jednosmerni izvor za napajanje, neophodno je izvršiti ispravljanje napona. Kao ispravljački elementi koriste se diode. Pre ispravljanja, obično se, pomoću transformatora, smanjuje amplituda naizmeničnog napona na potrebnu vrednost. U praksi se najčešće koristi dvostrano ispravljanje diodnim mostom, šemom koja je prikazana na slici 2.3.1 . Most je tako vezan za sekundar transformatora da u pozitivnoj poluperiodi vode diode D2 i D4, a u negativnoj diode D1 i D3, pri čemu kroz potrošač struja teče uvek u istom smeru. Napon pre usmeravanja (v2) i posle usmeravanja (v3) prikazan je na slikama 2.3.3. a i 2.3.3. b respektivno.

220V50Hz

v1 v2 v3

D1 D2

D4D3

Slika 2.3.1 Dvostrano usmeravanje

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

112

Kao mera sadržaja naizmenične komponente u usmerenom naponu definiše se

faktor talasnosti peff

po

V

Vγ = , gde je Vpeff efektivna vrednost naizmenične

komponente usmerenog napona (bez jednosmerne komponente), a Vpo vrednost jednosmerne komponente napona na potrošaču.

Kod dvostranog ispravljanja, faktor talasnosti ima vrednost γ = 0,48 , što pokazuje da je snaga naizmenične komponente ovog napona oko četiri puta manja od snage jednosmerne komponente (γ 2 ≈ 0,23).

2.3.2.2 Filtriranje ispravljenog napona

Usmereni napon ne može da se koristi kao pouzdan izvor konstantnog jednosmernog napona jer sadrži veliku naizmeničnu komponentu. Zato je neophodno da se naizmenična komponenta smanji filtriranjem čime se smanjuje „talasnost“ ispravljenog napona.

220V RP

Slika 2.3.2 Kapacitivni filtar

Najjednostavniji filtar je kapacitivni filtar, prikazan na slici 2.3.2. Filtar se sastoji od jednog kondenzatora velike vrednosti koji se vezuje paralelno potrošaču. Kondenzator je stalno napunjen na vrednost napona približno jednaku maksimalnoj vrednosti usmeravanog napona, Vm. Izvesna „talasnost“ je još uvek prisutna, jer se kondenzator delimično prazni u onim intervalima vremena kada usmereni napon opada, a dopunjuje kada ispravljeni napon raste.

Da bi se „talasanje“ još više prigušilo, može se koristiti složeniji filtar, kakav je recimo π filtar. Talasni oblik filtriranog napona prikazan je na slici 2.3.3. c.

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

113

t

t

t

t

v

v

v

v

a)

b)

c)

d)

Slika 2.3.3 a) Naizmenični napon, b) napon na izlazu dvostranog ispravljača,

c) napon na izlazu filtra d) napon na izlazu regulatora

2.3.2.3 Regulacija napona

Za neke praktične primene potrebni su izvori jednosmernog napona koji generišu stabilan napon tako da njegova vrednost ne zavisi niti od otpornosti potrošača niti od mrežnog napona. Za tu svrhu upotrebljavaju se posebna kola za regulaciju (stabilizaciju) – regulatori.

Kao mera kvaliteta regulatora definiše se faktor stabilizacije S = ∆Vos/∆Vo, pri konstantnoj struji potrošača Ios i temperaturi. U ovom izrazu Vo je ulazni nestabilisani napon, a Vos je i napon na izlazu stabilizatora. Regulator je bolji ukoliko faktor stabilizacije ima manju vrednost,.

Kolo usmerača sa integrisanim regulatorom LM317 prikazano je na slici 6.4.

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

114

220V RP

LM 317

Vout

ADJ

Vin

R1

R2

C2C

1

Slika 2.3.4 Kolo usmerača sa integtisanim regulatorom LM317

2.3.2.4 Izlazne karakteristike izvora jednosmernog napona

Izvor jednosmernog napona karakteriše se elektromotornom silom Vo i unutrašnjom otpornošću Riz, kao na slici 2.3.5.a. Ako je otpornost potrošača beskonačna, struja potrošača Ip ne teče, pa je napon na izlazu jednak elektromotornoj sili izvora Vo. Kada se, medjutim, izvor optereti potrošačem otpornosti Rp, izlazni napon regulatora (napon na potrošaču, dostupan korisniku) umanjen je za pad napona na Riz, odnosno Vp = Vo - Riz Ip. Što je struja potrošača veća (odnosno Rp manje), izlazni napon izvora Vp je manji. Iz ovoga se može zaključiti da izvor može da ima konstantan izlazni napon jedino ako je unutrašnja otpornost izvora Riz jednaka nuli. Zbog toga je važno da je Riz što manje. Oblik izlazne karakteristike realnog izvora konstantnog napona, sa konačnom vrednošću unutrašnje otpornosti Riz , prikazan je na slici 2.3.5.b.

RP

RIZ

V0

IP

VP

a)IP

VP

V0

b)

Slika 2.3.5 a) Električna šema izvora jednosmernog napajanja, b) izlazna

karakteristika izvora jednosmernog napajanja

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

115

2.3.2.5 Zaključak

Da bi se realizovao dobar izvor jednosmernog napona neophodno je postupke usmeravanja, filtriranja i regulacije kombinovati prema predviđenoj nameni izvora. Tako je, za neke primene dovoljno samo filtriranje usmerenog napona, dok druge zahtevaju filtriranje i regulaciju. U eksperimentalnom delu vežbe biće realizovane neke moguće konfiguracije izvora jednosmernog napona i uporedjene njihove karakteristike.

2.3.2.6 Rezultati merenja na koje treba obratiti pažnju

Izvor jednosmernog napona realizovan usmeravanjem naizmeničnog napona UVEK sadrži osim jednosmerne i neželjenu naizmeničnu komponentu napona, takozvani brum izvora. Ogovarajućim postupcima moguće je ovu naizmeničnu komponentu potisnuti do željenog nivoa, ali nikad i potpuno eliminisati.

Kada opada vrednost otpornosti potrošača Rp, raste izlazna struja izvora Ip. Ovaj porast se MORA ograničiti da ne bi došlo do prekoračenja dozvoljene disipacije komponenata od kojih je izvor realizovan.

Zbog konačne unutrašnje otpornosti izvora Riz, izlazni napon izvora Vp (napon na potrošaču Rp) opada kad raste izlazna struja Ip.

Amplituda naizmenične komponente izlaznog napona Vpeff raste sa porastom izlazne struje Ip (odnosno sa smanjenjem otpornosti potrošača Rp).

2.3.3 Opis virtuelnog instrumenta

Virtuelni instrument (slika 2.3.6) omogućava a) uvid u talasne oblike napona na izlazu usmerača, na izlazu filtra i na

izlazu regulatora, b) uvid u strujno-naponske karakteristike, c) merenje vrednosti jednosmernog napona, d) merenje vrednosti jednosmerne struje, e) merenje vrednosti naizmenične komponente napona, f) merenje vrednosti otpornosti potrošača..

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

116

Slika 2.3.6 Slika virtuelnog instrumenta

Talasni oblici izlaznog napona mogu se posmatrati na osciloskopskom panelu u gornjem levom uglu virtuelnog instrumenta. Snimljena karakteristika zavisnosti jednosmernog napona na izlazu od struje potrošača prikazuje se na panelu u donjem levom uglu. Karakteristika se može izbrisati komandom „Izbrisi“ (koja se nalazi na dugmetu desno od panela). Zatim se mogu ponoviti mrenja. Vrednosti jednosmerne struje, jednosmernog napona i naizmenične komponente napona prikazuju se na analognim i numeričkim indikatorima u desnom gornjem delu osnovnog prozora. Izmerena vrednost otpornosti potrošača prikazuje se numerički u centru desnog dela prozora. Sve izmerene vrednosti mogu se upisati u tabelu komandom „Upisi“ u donjem desnom delu osnovnog prozora.

2.3.4 Uputstvo za rad

2.3.4.1 Zadatak

Snimiti talasne oblike napona na izlazu i izmeriti parametre a) Punotalasnog usmerača sa diodnim mostom b) Usmerača sa kapacitivnim filtrom c) Usmerača sa integrisanim stabilizatorom

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

117

2.3.4.2 Opis makete

Na slici 2.3.7 prikazana je maketa za izvođenje laboratorijske vežbe. Pomoću prekidača P1 moguće je izabrati napon koji se posmatra na osciloskopskom panelu virtuelnog instrumenta i čiji su parametri prikazani na indikatorima: nefiltriran (napon na izlazu punotalasnog ispravljača) ili filtriran (napon na izlazu fitra, odnosno regulatora). U slučaju da je P1 u položaju „filtriran“, prekidačem P2 se može izabrati način filtriranja/regulacije (stabilizacije) napona. Desnim potenciometrom reguliše se otpornost potrošača vezanog na izlazu kola. Vrednost otpornosti može se očitati na panelu virtuelnog instrumenta. Levim potenciometrom reguliše se izlazni napon regulatora, ukoliko maketa radi u ovom režimu (P1 u položaju „filtriran“, P2 u položaju „stablilizator“).

Slika 2.3.7 Izgled makete za vežbu

2.3.5 TOK RADA

a) Punotalasni ispravljač sa diodnim mostom

Uključiti izvor naizmeničnog napona. Pokrenuti aplikaciju virtuelnog instrumenta. Na maketi, prekidač P1 postaviti u položaj NEFILTRIRAN, čime se na izlaz diodnog mosta povezuje potrošač RP (slika 2.3.8). Posmatrati i skicirati talasne oblike na izlazu usmerača. Odrediti jednosmernu komponentu V0, naizmeničnu komponentu Veff i faktor talasnosti γ.

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

118

Slika 2.3.8. Kolo punotalasnog usmerača

b) Ispravljač sa kapacitivnim filtrom

Uključiti izvor naizmeničnog napona. Pokrenuti aplikaciju virtuelnog instrumenta. Na maketi, prekidač P1 postaviti u položaj FILTRIRAN i prekidač P2 u položaj KAPACITIVNI FILTAR, čime se formira kolo ispravljača sa kapacitivnim filtrom (slika 2.3.9). Posmatrati talasni oblik signala na izlazu filtra i pratiti njegovu promenu u odnosu na otpornost potrošača RP. Otpornost potrošača menjati potenciometrom POTROŠAČ u koracima od 100Ω, a vrednost otpornosti očitati na virtuelnom instrumentu.

220V RP

A

V

Slika 2.3.9. Ispravljač sa kapacitivnim filtrom

Snimiti zavisnost jednosmernog napona na potrošaču od struje potrošača Vp = f(Ip), kao i zavisnost naizmenične komponente napona na potrošaču od struje

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

119

potrošača Vpeff = f(Ip), smanjujući otpornost potrošača od RP = lkΩ do RP = 200Ω u koracima od 100Ω. Rezultate merenja uneti u tabelu.

c) Ispravljač sa integrisanim regulatorom Uključiti izvor naizmeničnog napona. Pokrenuti aplikaciju virtuelnog instrumenta. Na maketi, prekidač P1 postaviti u položaj FILTRIRAN, a prekidač P2 u položaj STABILIZATOR, čime se formira kolo usmerača sa integrisanim regulatorom (slika 2.3.10). Potenciometrom NAPON NA IZLAZU STABILIZATORA podesiti izlazni jednosmerni napon na 4V. Posmatrati talasni oblik signala na izlazu filtra i pratiti njegovu promenu u odnosu na otpornost potrošača RP. Otpornost potrošača menjati potenciometrom POTROŠAČ od RP = lkΩ do RP = 200Ω u koracima od 100Ω, a vrednost otpornosti očitati na virtuelnom instrumentu.

220V RP

LM 317

Vout

ADJ

Vin

R1

R2

C2C1

VosV

o

++

+

Slika 2.3.10. Ispravljač sa integrisanim regulatorom

Snimiti zavisnost jednosmernog napona na potrošaču od struje potrošača VP = f(Ip), kao i zavisnost naizmenične komponente napona na potrošaču od struje potrošača Vpeff = f(Ip), smanjujući otpornost potrošača od RP = lkΩ do RP = 200Ω u koracima od po 80Ω. Rezultate merenja uneti u tabelu. Odrediti približno vrednost faktora stabilizacije regulatora mereći veličinu naizmenične komponente ulaznog i izlaznog napona regulatora:

peff

eff

.os

o

VVS

V V

∆= =

∆ (0.0.1)

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

120

2.3.6 REZULTATI MERENJA

a) Punotalasni ispravljač sa diodnim mostom

0

ffe

V

V

γ

=

=

=

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

121

b) Ispravljač sa kapacitivnim filtrom

Rp (kΩ)

Ip (mA)

Vp (V)

Vpeff (V)

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

122

c) Ispravljač sa integrisanim regulatorom

Rp (kΩ)

Ip (mA)

Vp (V)

Vpeff (V)

.S =

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

123

Datum: ______________________________

Student: ______________________________

Overava: ______________________________

CIKLUS 2 VEŽBA 3: Konverzija naizmeničnog u jednosmerni napon

124